ES2922974T3

ES2922974T3 - Estructura de material compuesto y método de fabricación de la misma

Info

Publication number: ES2922974T3
Application number: ES17883277T
Authority: ES
Inventors: Yoshiki Takebe; Masato Honma
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2022-09-22
Anticipated expiration: 2037-12-20
Also published as: KR20190100184A; JPWO2018117181A1; CA3048175A1; WO2018117181A1; BR112019012021A2; RU2019122813A3; CN110072693B; US10994510B2; JP6481778B2; EP3560698B1; CN110072693A; RU2019122813A; US20200307148A1; TWI751250B; EP3560698A1; TW201840405A; EP3560698A4

Abstract

Provide es una estructura compuesta que tiene una excelente rigidez a la flexión, ligereza y formación de forma, y un método para fabricar la estructura compuesta. Una estructura compuesta de acuerdo con la presente invención es una estructura compuesta que incluye una estructura que contiene primeras fibras reforzadas y primera resina y un laminado que está dispuesto en al menos una superficie de la estructura y tiene una pluralidad de capas que contienen segundas fibras reforzadas y segunda resina, con la estructura y el laminado integrados, siendo las primeras fibras reforzadas fibras discontinuas y teniendo un ángulo de orientación de fibra promedio en cuanto al espesor en un rango de 5 a 60°, siendo las segundas fibras reforzadas fibras discontinuas y teniendo un espesor promedio de fibra ángulo de orientación en un rango de 0 a 5°, teniendo la estructura una densidad en un rango de 0,01 a 1 g/cm<3>, teniendo el laminado una variación en el contenido volumétrico de las segundas fibras reforzadas en un rango de 0 a 10 %, y la estructura compuesta que tiene una parte sobresaliente en la superficie de un laminado opuesta a la superficie de un laminado en contacto con la estructura. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Estructura de material compuesto y método de fabricación de la misma

Campo técnico

La presente invención se refiere a una estructura de material compuesto que incluye una estructura que contiene fibras reforzadas y resina y un laminado que se dispone sobre al menos una superficie de la estructura y tiene una pluralidad de capas que contienen fibras reforzadas y resina, y se refiere a un método de fabricación de la estructura de material compuesto.

Técnica anterior

Últimamente, se exige cada vez más rigidez y ligereza mejoradas de los productos industriales, tales como un automóvil, un avión y un producto deportivo en el mercado año tras año. Para cumplir dicho requisito, se están usando ampliamente plásticos reforzados con fibra que tienen excelente rigidez y ligereza para diversos fines industriales. Específicamente, para cumplir la ligereza y la rigidez, se estudia usar un sustrato reforzado con fibra ligera como material de núcleo de una estructura de sándwich (véase el documento de patente 1). Por otra parte, como una técnica que implica un laminado de plástico reforzado con fibra formado en vista de un moldeado de forma, una técnica desvelada es disponer un denominado material preimpregnado formado de fibras reforzadas continuas y resina sobre una superficie de un material de hoja de resina que tiene una carga combinada en su interior (véase el documento de patente 2). Además, como una técnica de mejora del moldeado en una pluralidad de formas, se desvela un sustrato laminado obtenido laminando un producto en forma de hojas con vacíos sobre al menos una superficie de un material preimpregnado que contiene fibras reforzadas y termoplástico (véase el documento de patente 3). El documento de patente 4 proporciona un producto moldeado poroso por superposición de un material no tejido que tiene fibras de refuerzo individualmente dispersadas en su interior, y un material no tejido que contiene haces de fibras de refuerzo, y superposición de un miembro de tipo placa al que se aplica un procesamiento irregular, para calentar y comprimir ambos materiales.

Documentos del estado de la técnica

Documento de patente 1: WO 2015/029634; documento de patente 2: WO 2015/083707; documento de patente 3: WO 2015/083820; y documento de patente 4: JP H06320655A.

Sumario de la invención

Sin embargo, el método descrito en el documento de patente 1 requiere la consideración del moldeado de forma de un material de piel para formar formas plurales complicadas para la fabricación de diversos productos. El método descrito en el documento de patente 2 es una técnica de proporcionar, sobre el material preimpregnado, un corte que provoca un flujo del material de hoja de resina para moldeo en una etapa de moldeo. Sin embargo, la hoja de resina requiere la combinación de una carga inorgánica de alta densidad para garantizar las propiedades mecánicas y así no contribuye a la reducción de peso. Además, el método descrito en el documento de patente 3 elimina vacíos en el moldeo del sustrato laminado en un artículo moldeado, por lo que no se logra reducción de peso.

En las circunstancias descritas anteriormente, una necesidad urgente es proporcionar una estructura de material compuesto que cumpla la rigidez y la ligereza y también tenga excelente moldeado de forma en vista del desarrollo de productos. Por lo tanto, la presente invención se ha hecho en vista de los problemas anteriores, y un objetivo de la presente invención es proporcionar una estructura de material compuesto que tenga excelente rigidez flexional, ligereza y moldeado de forma, y un método de fabricación de la estructura de material compuesto.

Soluciones a los problemas

La presente invención para resolver los problemas anteriores es del siguiente modo.

Una estructura de material compuesto que incluye una estructura que contiene primeras fibras reforzadas y primera resina y un laminado que se dispone sobre al menos una superficie de la estructura y tiene una pluralidad de capas que contienen segundas fibras reforzadas y segunda resina, con la estructura y el laminado integrados, siendo las primeras fibras reforzadas fibras discontinuas y teniendo un ángulo de orientación promedio de la fibra en función del espesor, medido por el método de la descripción, en un intervalo de 5 a 60°,

siendo las segundas fibras reforzadas fibras discontinuas y que tienen un ángulo de orientación promedio de la fibra en función del espesor en un intervalo de 0 a 5°,

el que la estructura tiene una densidad en un intervalo de 0,01 a 1 g/cm3,

teniendo el laminado una variación en el contenido en volumen de las segundas fibras reforzadas, medido por el método de la descripción, en un intervalo del 0 al 10 %, teniendo cada capa en el laminado un corte, siendo un valor absoluto de un ángulo 0 entre el corte y las segundas fibras reforzadas 2° a 25°,

teniendo cada capa en el laminado sustancialmente todas las segundas fibras reforzadas de la misma divididas por un corte, de forma que las segundas fibras reforzadas no divididas por el corte tengan un proporción del área inferior al 5 % en el área representada por la capa,

y

teniendo la estructura de material compuesto una porción que sobresale sobre la superficie de un laminado opuesta desde la superficie de un laminado en contacto con la estructura.

Efectos de la invención

Según la presente invención, es posible proporcionar una estructura de material compuesto que tenga excelente rigidez, ligereza y moldeado de forma, y un método de fabricación de la estructura de material compuesto.

Breve descripción de los dibujos.

La Fig. 1 es una vista esquemática que muestra una configuración en sección de una estructura de material compuesto según una realización de la presente invención.

La Fig. 2 es una vista en perspectiva de una estructura de material compuesto según un Ejemplo modificado 1 de la realización de la presente invención.

La Fig. 3 es una vista en perspectiva de una estructura de material compuesto según un Ejemplo modificado 2 de la realización de la presente invención.

La Fig. 4 es una vista esquemática que muestra una configuración en sección en cuanto al espesor a modo de ejemplo de una estructura de material compuesto según la presente invención.

Realizaciones de la invención

En lo sucesivo, se describe una estructura de material compuesto y un método de fabricación de la estructura de material compuesto según la presente invención.

La presente invención es una estructura de material compuesto que incluye una estructura que contiene primeras fibras reforzadas y primera resina y un laminado que se dispone sobre al menos una superficie de la estructura y tiene una pluralidad de capas que contienen segundas fibras reforzadas y segunda resina, con la estructura y el laminado integrados.

La presente invención no está particularmente limitada en términos de la relación de disposición entre el laminado y la estructura en la estructura de material compuesto, en tanto que el laminado se disponga sobre al menos una superficie de la estructura. En general, es posible emplear una estructura de canapé obtenida disponiendo un laminado sobre un lado de la superficie de una estructura o una estructura de sándwich que es una estructura obtenida emparedando una estructura con laminados. La estructura de sándwich es preferible desde un punto de vista de retener propiedades mecánicas, y la estructura de canapé es preferible desde un punto de vista de lograr ligereza mientras se garantizan propiedades mecánicas mínimas.

La estructura de material compuesto tiene una porción que sobresale sobre una superficie opuesta del laminado de la superficie de un laminado en contacto con la estructura, sobresaliendo la porción que sobresale de la superficie opuesta del laminado. La porción que sobresale se refiere a una porción que sobresale en una dirección fuera del plano de una porción de superficie plana o curvada de la estructura de material compuesto. La disposición de la porción que sobresale sobre el laminado permite garantizar las propiedades mecánicas y la expansión de estructura que se diseñan en la desarrollo de productos. Sin la porción que sobresale, es decir, la estructura de material compuesto solo formada de una forma de placa o una forma semiesférica, llega a tener una limitación en el diseño en términos de rigidez flexional.

La porción que sobresale es preferentemente un nervio y/o una protuberancia desde los puntos de vista de moldeado de forma de la estructura de material compuesto y las propiedades mecánicas de la estructura de material compuesto que se ha conformado en una forma. La provisión de un nervio y o una protuberancia en la estructura de material compuesto es preferible debido a que es capaz de conferir un efecto de mejora de la rigidez dependiente de la forma a la rigidez flexional. Es decir, es posible hacer que la estructura de material compuesto ejerza mayor rigidez flexional que la rigidez flexional derivada de la estructura y el laminado.

La Fig. 1 es una vista esquemática que muestra una configuración en sección de una estructura de material compuesto 1 según una realización de la presente invención. La estructura de material compuesto 1 incluye una estructura 5 que contiene una primera resina 2, primeras fibras reforzadas 3 y vacíos 4, laminados 6-1 y 6-2 que están dispuestos en un lado delantero y un lado trasero de la estructura 5, respectivamente, y un nervio 7 que se proporciona sobre una superficie plana f1 opuesta a la superficie del lado delantero del laminado 6-1 en contacto con la estructura 5 y sobresale de la superficie plana f1. El nervio 7 corresponde a la porción que sobresale en la presente invención. La Fig. 1 no muestra la segunda resina y las segundas fibras reforzadas contenidas en los laminados 6-1 y 6-2. El nervio 7 se proporciona en una porción central de la superficie plana f1 a lo largo de la distancia longitudinal (desde un extremo hasta el otro extremo) del laminado 6-1. Sin embargo, el nervio se puede proporcionar solo en una porción longitudinal. El nervio 7 es lineal, pero no se limita a esta forma, y el nervio puede tener forma en zigzag o forma de onda. Además, se puede proporcionar una pluralidad de nervios 7 en paralelo o el nervio también se puede proporcionar en una forma reticular. Además, cuando la estructura de material compuesto es semiesférica, es posible proporcionar el nervio en una forma radial que se extiende desde el centro de la semiesfera.

La Fig. 2 es una vista en perspectiva de una estructura de material compuesto 1A según un Ejemplo modificado 1 de la realización de la presente invención. En la estructura de material compuesto 1A, los laminados 6-1A y 6-2 se disponen sobre un lado delantero y un lado trasero de la estructura 5, respectivamente, y una pluralidad de protuberancias 7A se proporcionan sobre la superficie plana f1 opuesta a la superficie del lado delantero del laminado 6-1A en contacto con la estructura 5 y sobresalen de la superficie plana f1. Las protuberancias 7A corresponden a la porción que sobresale. Las protuberancias 7A son columnares, pero no se limitan a esta forma, y las protuberancias pueden tener forma de columna prismática, tal como una forma de columna hexagonal y pueden estar huecas.

La Fig. 3 es una vista en perspectiva de una estructura de material compuesto 1B según un Ejemplo modificado 2 de la realización de la presente invención. En la estructura de material compuesto 1B, los laminados 6-1B y 6-2 se disponen sobre un lado delantero y un lado trasero de la estructura 5B, respectivamente, y una porción que sobresale 7B se forma sobre la superficie plana f1 opuesta desde una superficie del lado delantero del laminado 6-1B' en contacto con la estructura 5B. La porción que sobresale 7B está formada por flexiones 8a, 8b, 8c y 8d flexionadas en un ángulo casi recto. En el Ejemplo modificado 2, las flexiones se flexionan en un ángulo casi recto, lo que permite que la porción que sobresale sobresalga hacia afuera del plano del laminado. Sin embargo, el ángulo flexional puede ser un ángulo agudo o un ángulo obtuso y la dirección de flexión puede ser hacia el interior del laminado. La porción que sobresale que es rectangular como se muestra en la Fig. 3 también puede tener forma de sombrero o forma de plancha corrugada. El nervio, las protuberancias y la porción que sobresale hacen de, por ejemplo, una parte de refuerzo y también corresponden con un lugar para el almacenamiento o la fijación de componentes funcionales, tales como un tornillo.

En la presente invención, el 80 % en vol. o más y el 100 % en vol. o menos de la porción que sobresale contiene preferentemente el laminado. La porción que sobresale que contiene el laminado en una cantidad del 80 % en vol. o más y el 100 % en vol. o menos permite ejercer de forma preferible las propiedades mecánicas, particularmente el módulo de flexión que contribuye a la rigidez flexional. Desde el punto de vista anterior, la porción que sobresale tiene un contenido en volumen del laminado de más preferentemente del 90 % en vol. o más y del 100 % en vol. o menos, particularmente preferentemente el 100 % en vol.

La estructura de material compuesto según la presente invención tiene preferentemente una relación de área (As)/(Ap) en un intervalo superior a 1 y 2,5 o menos entre un área proyectada (Ap) de una superficie (denominada un plano de proyección) que tiene la porción que sobresale de la estructura de material compuesto y un área de estudio real del plano de proyección (As), desde un punto de vista de una fácil producción de la estructura de material compuesto y desde un punto de vista de obtener un valor suficiente para la rigidez flexional de la estructura de material compuesto. Por ejemplo, en la estructura de material compuesto 1a de la Fig. 2, el área proyectada (Ap) es el área de la superficie plana f1 del laminado 6-1A y el área de estudio real (As) es una suma de un total del área de las superficies del lado de la protuberancia 7A y el área de la superficie plana f1 del laminado 6-1A. Es preferible que la estructura de material compuesto tenga una relación (As)/(Ap) superior a 1 debido a que indica su capacidad para producir una porción que sobresale distinta de la forma de placa y así hace posible ampliar la gama de diseño de productos. Desde el punto de vista anterior, la relación (As)/(Ap) está más preferentemente en un intervalo superior a 1 y 1,5 o menos. Con la relación (As)/(Ap) establecida en el intervalo superior a 1 y 2,5 o menos, la estructura de material compuesto que incluye el laminado y la estructura tiene el efecto sorprendente de tener elevado rendimiento de la forma.

Además, con la longitud de fibra promedio másica de las segundas fibras reforzadas contenidas en el laminado definido como Ls y la longitud de fibra promedio másica de las primeras fibras reforzadas contenidas en la estructura definida como Lc, la estructura de material compuesto tiene preferentemente una relación Ls/Lc en un intervalo de 1 a 50 por su excelente moldeado de forma. La estructura de material compuesto que tiene la relación en dicho intervalo no tiene gran diferencia en la longitud entre las segundas fibras reforzadas en el laminado y las primeras fibras reforzadas en la estructura para permitir que el laminado siga la forma de un producto. Con la relación Ls/Lc establecida en el intervalo anterior, cuando las segundas fibras reforzadas en el laminado están, junto con la segunda resina, deformadas en una forma de la porción que sobresale, es posible reducir la inhibición de la deformación del laminado por las primeras fibras reforzadas en la estructura. Es decir, es posible prevenir que la estructura empuje hacia afuera el laminado, que se supone que está dispuesto en la porción que sobresale y que entra en la porción que sobresale (por ejemplo, una porción de forma rectangular). Desde el punto de vista anterior, la relación Ls/Lc es preferentemente 1 a 30, particularmente preferentemente 1 a 15.

[Laminado]

El laminado incluido en la estructura de material compuesto según la presente invención tiene una pluralidad de capas que contienen las segundas fibras reforzadas y la segunda resina. El número de capas en el laminado no está particularmente limitado, en tanto que sea plural, o dos o más. Un laminado que tiene solo una capa es insuficiente en el moldeado y tiene problemas en la formación de una forma deseada cuando se produce la estructura de material compuesto, de manera que el número de capas en el laminado es plural.

El número de capas en el laminado no está particularmente limitado, en tanto que sea dos o más. Sin embargo, las capas en el laminado están laminadas preferentemente cuasi-isotrópicamente desde un punto de vista de homogeneización del módulo de flexión que contribuye a la rigidez flexional. Específicamente, para obtener homogéneamente una alta rigidez flexional, las capas en el laminado se obtienen preferentemente por laminación cruzada con una unidad de [0/90] o laminación isotrópica con una unidad de [+45/0/-45/90] o [0/±60].

Las segundas fibras reforzadas del laminado incluidas en la estructura de material compuesto según la presente invención son fibras discontinuas y tienen fibras discontinuas en un intervalo de 0° a 5°. Las segundas fibras reforzadas que son fibras discontinuas facilitan la formación del laminado en una forma complicada cuando se aplica una fuerza externa al laminado para el moldeo. Además, las segundas fibras reforzadas que tienen un ángulo de orientación promedio de la fibra en función del espesor en el intervalo de 0° a 5° hacen que el propio laminado tenga excelentes propiedades mecánicas, particularmente una propiedad flexional. Las segundas fibras reforzadas que tienen un ángulo de orientación promedio de la fibra en función del espesor superior a 5° están demasiado orientadas en cuanto al espesor para cumplir la propiedad flexional en algunos casos. Las segundas fibras reforzadas tienen preferentemente un ángulo de orientación de fibra promedio de 3° o menos desde un punto de vista de cumplir además las propiedades mecánicas.

Aquí es posible obtener el ángulo de orientación promedio de la fibra en función del espesor de las segundas fibras reforzadas obteniendo los ángulos de orientación de las segundas fibras reforzadas en la dirección en sección del laminado (dirección del espesor). El ángulo de orientación de fibra promedio es el grado de inclinación con respecto a la dirección en sección del laminado, en otras palabras, el grado de inclinación de las fibras reforzadas con respecto a la dirección del espesor del laminado. Las fibras reforzadas que tienen un mayor valor para el ángulo de orientación de la fibra promedio indican su estado de estar inclinadas más cerca hacia arriba a lo largo de la dirección del espesor, y el valor se da en un intervalo de 0° o más y 90° o menos. Es decir, las segundas fibras reforzadas que tienen un ángulo de orientación promedio de la fibra en cuanto al espesor en el intervalo de 0° a 5° son capaces de ejercer más eficazmente una función de refuerzo en el laminado. Las segundas fibras reforzadas tienen un ángulo de orientación promedio de la fibra en función del espesor de 5° o menos en vista de ejercer la rigidez flexional cuando se conforman en el laminado. Las segundas fibras reforzadas tienen más preferentemente un ángulo de orientación promedio de la fibra en función del espesor de 3° o menos.

Es posible medir el ángulo de orientación promedio de la fibra de las segundas fibras reforzadas en el laminado basándose en la observación de la sección vertical (dirección del espesor) con respecto a la dirección del plano del laminado. La Fig. 4 es vistas esquemáticas que muestran una configuración en sección a modo de ejemplo del laminado según la presente invención, mostrando una un plano formado por la dirección del espesor y la dirección longitudinal de la fibra (Fig. 4 (a)) y mostrando la otra un plano formado por la dirección del espesor y la dirección perpendicular a la dirección longitudinal de la fibra (Fig. 4 (b)). En la Fig. 4 (a), las secciones de las segundas fibras reforzadas 9a y 9b se aproximan a formas de elipse para simplificar la medición. Aquí, la sección de la segunda fibra reforzada 9a muestra una pequeña relación de aspecto de la elipse (= eje a mayor de la elipse / eje p menor de la elipse), mientras que la sección de la segunda fibra reforzada 9b muestra una gran relación de aspecto de la elipse. Por otra parte, en la Fig. 4(b), la segunda fibra reforzada 9a tiene una inclinación sustancialmente paralela a la dirección del plano (dirección perpendicular a la dirección longitudinal de la fibra) Y, mientras que la segunda fibra reforzada 9b tiene una cierta cantidad de inclinación con respecto a la dirección del plano (dirección longitudinal de la fibra) Y. En este caso, en lo que respecta a la segunda fibra reforzada 9b, un ángulo 0x entre una dirección del plano de la estructura (dirección longitudinal de la fibra) X y el eje principal de la fibra (dirección del eje principal de la elipse) a es sustancialmente igual al ángulo de orientación en cuanto al espesor 0f de la segunda fibra reforzada 9b. Por otra parte, en lo que respecta a la segunda fibra reforzada 9a, existe un gran hueco entre el ángulo 0x y el ángulo de orientación 0f, y es imposible considerar que el ángulo 0x refleje el ángulo de orientación 0f. Por consiguiente, cuando se lee el ángulo de orientación 0f desde la sección vertical hacia la dirección del plano de la estructura, es posible aumentar la exactitud de detección del ángulo de orientación 0f extrayendo una fibra que incluye una sección que tiene un cierto valor o más para su relación de aspecto de elipse.

En la presente invención, el laminado integrado con la estructura para formar la estructura de material compuesto tiene una variación en el contenido en volumen de las segundas fibras reforzadas en un intervalo del 0 al 10 %. Este ajuste homogeneiza las propiedades mecánicas representadas por el módulo de flexión. El que el laminado tenga una variación en el contenido en volumen de las segundas fibras reforzadas del 0 al 10 % sugiere su estado de que es pequeña la variabilidad en el contenido en volumen de las segundas fibras reforzadas dependiendo de la localización medida cuando se configura en la estructura de material compuesto. En otras palabras, dicho laminado muestra un resultado preferible para el fácil diseño de un producto final y estabilidad dimensional. Desde el punto de vista anterior, el laminado tiene una variación en el contenido en volumen de las segundas fibras reforzadas de preferentemente el 5 % o menos, más preferentemente el 0 %.

Aquí es posible obtener la variación en el contenido en volumen de las segundas fibras reforzadas por un método conocido. Por ejemplo, la densidad del laminado extraída de la estructura de material compuesto se mide por adelantado por un método de sustitución del agua; se calcula un coeficiente de variación (valor CV (%)) como indicador de la variabilidad a partir de un valor promedio de contenido en volumen medido, el número de trozos medidos y una desviación estándar, y el coeficiente de variación es aplicable como la variación en el contenido en volumen.

Cada capa en el laminado de la presente invención tiene sustancialmente todas las segundas fibras reforzadas de la misma divididas por un corte. Las segundas fibras reforzadas divididas por el corte tienen preferentemente una longitud de fibra promedio másica Ls en un intervalo de 10 a 100 mm. La división de las segundas fibras reforzadas por el corte facilita la deformación de las segundas fibras reforzadas junto con la segunda resina en el laminado cuando la estructura de material compuesto se obtiene, para mejorar el moldeado. Cada capa en el laminado es preferentemente una obtenida haciendo un corte en un material preimpregnado unidireccional formado como las segundas fibras reforzadas unidireccionalmente dispuestas y la segunda resina o sobre un material preimpregnado de tela tejida formado de trama y urdimbre, para ejercer una excelente rigidez flexional y un excelente efecto para la variación en el contenido en volumen del laminado en la porción que sobresale y para moldeado del laminado en la porción que sobresale.

La expresión "sustancialmente todas las segundas fibras reforzadas de la misma divididas por un corte" indica que en lo que respecta a las segundas fibras reforzadas en cada capa incluidas en el laminado, las segundas fibras reforzadas no divididas por el corte tienen una proporción del área inferior al 5 % en el área representada por la capa.

Las segundas fibras reforzadas divididas por el corte tienen una longitud de fibra promedio másica Ls preferentemente en un intervalo de 10 a 100 mm en términos de equilibrio entre el moldeado y las propiedades mecánicas, más preferentemente en un intervalo de 20 a 60 mm. El laminado contiene algunas veces una segunda fibra reforzada más corta que la longitud de fibra promedio másica Ls. Sin embargo, el laminado es más preferible según ya que el número de segundas fibras reforzadas que tienen una longitud inferior a 10 mm o superior a 100 mm es pequeño, y las segundas fibras reforzadas que tienen una longitud inferior a 10 mm o superior a 100 mm tienen preferentemente una proporción del área inferior al 5 % en el área representada por la capa que contiene las segundas fibras reforzadas.

Cada capa que forma el laminado tiene preferentemente un espesor en un intervalo de 30 a 300 pm. Cada capa en el laminado de la presente invención tiene un corte, de manera que cuando la capa a dividir tiene un gran espesor, la productividad tiende a disminuir. Por lo tanto, es preferible establecer el espesor de cada capa a 300 pm o menos. Por otra parte, cada capa que tiene un espesor inferior a 30 pm no causa un problema, pero la fabricación estable de capas muy delgadas es bastante difícil. Por lo tanto, desde un punto de vista de la productividad, cada capa tiene preferentemente un espesor de 30 pm o más. Desde un punto de vista de la productividad, cada capa tiene además preferentemente un espesor de 50 a 150 pm.

El laminado de la presente invención es, como se ha descrito anteriormente, un laminado que tiene una pluralidad de capas que contienen las segundas fibras reforzadas y la segunda resina. El laminado tiene preferentemente, para su excelente rigidez flexional, un ángulo en un intervalo de 4° o más y 90° o menos entre la dirección de orientación de las segundas fibras reforzadas en una capa y la dirección de orientación de las segundas fibras reforzadas en otra capa adyacente a la capa en el laminado. Se prefiere que el laminado tenga excelente rigidez flexional debido a que permite mejorar la rigidez flexional de la estructura de material compuesto.

Cada capa en el laminado tiene un valor absoluto de un ángulo 0 entre el corte y las segundas fibras reforzadas de 2 a 25° desde un punto de vista del moldeado. Cada capa que tiene un valor absoluto de 25° o menos ejerce un efecto preferible de mejora de las propiedades mecánicas. Por otra parte, cada capa que tiene un valor absoluto del ángulo 0 de 2° o menos es capaz de obtener fluidez y las propiedades mecánicas, pero es algunas veces difícil de hacer establemente dicho corte. Esto es debido a que un corte a un ángulo agudo con respecto a las segundas fibras reforzadas hace que el contacto de las segundas fibras reforzadas con una cuchilla sea inestable al hacer el corte. Además, con el valor absoluto del ángulo 0 siendo inferior a 2°, la provisión de las segundas fibras reforzadas que tienen una longitud de fibra promedio másica Ls de 10 a 100 mm reduce al menos excesivamente la distancia entre cortes que carecen de estabilidad de producción. Una pequeña distancia entre cortes también causa el problema de dificultar la manipulación del laminado. Por lo tanto, cada capa en el laminado tiene un valor absoluto del ángulo 0 entre el corte y las segundas fibras reforzadas de 2 a 25°, y tiene preferentemente un valor absoluto en un intervalo de 5 a 15° en vista de la relación entre el fácil control del corte y la rigidez flexional.

Cada capa incluida en el laminado tiene preferentemente un contenido en volumen de fibra de las segundas fibras reforzadas en un intervalo del 45 al 65 % desde el punto de vista de ejercer la rigidez flexional. Cada capa que tiene un contenido en volumen de fibra de las segundas fibras reforzadas inferior al 45 % es pequeño en cantidad de las segundas fibras reforzadas necesarias para ejercer la rigidez flexional del laminado que sea inferior en rigidez flexional. Por otra parte, no es preferible que cada capa tenga un contenido en volumen de fibra de las segundas fibras reforzadas superior al 65 % debido a que dificulta impregnar las segundas fibras reforzadas con la segunda resina en la fabricación del laminado.

Un método de inserción de un corte sobre el laminado de la presente invención incluye producir primero un precursor de laminado (un denominado material preimpregnado) obtenido impregnando las segundas fibras reforzadas, que están dispuestas unidireccionalmente y continuas, con la segunda resina. A partir de aquí, se ejemplifica un método de hacer un corte manualmente sobre el material preimpregnado con una cuchilla o por una máquina de corte o un método de compresión continua sobre el material preimpregnado de un rodillo giratorio que tiene un filo dispuesto en una posición prescrita del mismo. Como material preimpregnado, se puede dividir completamente un material preimpregnado en forma de cinta y luego realinear en una configuración deseada o luego disponerse aleatoriamente por caída libre desde una cierta altura. Por otra parte, las segundas fibras reforzadas que tienen un corte hecho encima se pueden impregnar con la segunda resina.

Cada capa en el laminado de la presente invención contiene preferentemente fibras de carbono como las segundas fibras reforzadas y resina termoestable como la segunda resina. El uso de fibras de carbono como las segundas fibras reforzadas es preferible desde un punto de vista de que permite una excelente formación del laminado en equilibrio entre el módulo de flexión y la densidad. El uso de resina termoestable como la segunda resina es preferible desde un punto de vista de la fiabilidad en las propiedades mecánicas del laminado obtenido y para la fácil producción del laminado.

[Estructura]

La estructura de la presente invención tiene una densidad en un intervalo de 0,01 a 1 g/cm3 El que la estructura tenga una densidad p superior a 1 g/cm3 no es preferible debido a que significa un aumento en la masa de la estructura, que da como resultado un aumento en la masa de la estructura de material compuesto formado. El que la estructura tenga una densidad inferior al valor límite inferior 0,01 g/cm3 es excelente en densidad de la estructura en sí, pero tiene una proporción en volumen excesivamente pequeña de las primeras fibras reforzadas y la primera resina en la estructura para dificultar la retención de las propiedades mecánicas. La estructura tiene preferentemente una densidad de 0,03 g/cm3 o más desde un punto de vista de retención de las propiedades mecánicas de la estructura. Además, la estructura tiene preferentemente una densidad de 0,1 g/cm3 o más en vista del equilibrio entre la densidad y las propiedades mecánicas.

Las primeras fibras reforzadas en la estructura que son fibras discontinuas y tienen una longitud de fibra promedio másica de 1 a 15 mm son preferibles debido a que son capaces de aumentar la eficiencia de refuerzo de las primeras fibras reforzadas para la estructura y de dar excelentes propiedades mecánicas a la estructura. Las primeras fibras reforzadas que tienen una longitud de fibra promedio másica de 1 mm o más son preferibles debido a que son capaces de formar eficazmente vacíos en la estructura para permitir una disminución en la densidad, en otras palabras, dichas primeras fibras reforzadas facilitan la adquisición de la estructura que tiene un espesor deseado mientras mantiene la misma masa. Por otra parte, las primeras fibras reforzadas que tienen una longitud de fibra promedio másica de 15 mm o menos son preferibles debido a que es menos probable que se flexionen por su propio peso en la estructura no inhibiendo el que se ejerzan las propiedades mecánicas. Es posible medir la longitud de fibra promedio másica de las primeras fibras reforzadas del mismo modo que la longitud de fibra promedio másica de las segundas fibras reforzadas.

En la presente invención, para controlar la densidad de la estructura en el intervalo de 0,01 a 1 g/cm3, la estructura contiene preferentemente vacíos.

Aquí, los vacíos se refieren a espacios formados por las primeras fibras reforzadas recubiertas por una primera resina que son cuerpos de soporte columnares y que se solapan o cruzan entre sí. Por ejemplo, cuando las primeras fibras reforzadas se impregnan con la primera resina por adelantado para formar un precursor de estructura y el precursor de estructura se calienta dando la estructura, la fusión o el reblandecimiento de la primera resina por el calentamiento aumenta las primeras fibras reforzadas para formar los vacíos. Este fenómeno se basa en el carácter de las primeras fibras reforzadas de subir por una fuerza de ascenso derivada del módulo elástico de las primeras fibras reforzadas que se han comprimido por presión en el precursor de estructura.

Además, la estructura que contiene los vacíos tiene preferentemente un contenido en volumen de las primeras fibras reforzadas del 0,5 % en vol. o más y del 55 % en vol. o menos, un contenido en volumen de la primera resina del 2,5 % en vol. o más y del 85 % en vol. o menos, y un contenido en volumen de los vacíos del 10 % en vol. o más y del 97 % en vol. o menos, definiéndose el volumen total de las primeras fibras reforzadas, la primera resina y los vacíos como el 100 % en vol. Estas condiciones se describen.

La estructura tiene preferentemente un contenido en volumen de las primeras fibras reforzadas en el intervalo del 0,5 % en vol. o más y del 55 % en vol. o menos desde un punto de vista de cumplir un efecto de refuerzo de las primeras fibras reforzadas en la estructura y cumplir la ligereza. Es preferible que la estructura tenga un contenido en volumen de las primeras fibras reforzadas del 0,5 % en vol. o más debido a que es capaz de hacer que el efecto de refuerzo derivado de las primeras fibras reforzadas sea suficiente. Por otra parte, es preferible que la estructura tenga un contenido en volumen de las primeras fibras reforzadas del 55 % en vol. o menos debido a que aumenta relativamente el contenido en volumen de la primera resina con respecto al contenido en volumen de las primeras fibras reforzadas y permite que las primeras fibras reforzadas en la estructura se unan entre sí para ser capaces de hacer suficiente el efecto de refuerzo de las primeras fibras reforzadas y así cumplir las propiedades mecánicas, particularmente la propiedad flexional de la estructura.

La estructura tiene preferentemente un contenido en volumen de la primera resina en el intervalo del 2,5 % en vol. o más y del 85 % en vol. o menos. Es preferible que la estructura tenga un contenido en volumen de la primera resina del 2,5 % en vol. o más debido a que permite que las primeras fibras reforzadas en la estructura se unan entre sí para ser capaces de hacer suficiente el efecto de refuerzo de las primeras fibras reforzadas y así cumplir las propiedades mecánicas, particularmente el módulo de flexión de la estructura. Por otra parte, es preferible que la estructura tenga un contenido en volumen de la primera resina del 85 % en vol. o menos debido a que no inhibe la formación de los vacíos.

La estructura tiene preferentemente un contenido en volumen de los vacíos en el intervalo del 10 % en vol. o más y del 97 % en vol. o menos. Es preferible que la estructura tenga un contenido en volumen de los vacíos del 10 % en vol. o más debido a que reduce su densidad para que sea capaz de cumplir la ligereza. Por otra parte, es preferible que la estructura tenga un contenido en volumen de los vacíos del 97 % en vol. o menos debido a que aumenta suficientemente el espesor de la primera resina que recubre la periferia de las primeras fibras reforzadas para permitir un refuerzo suficiente de primeras fibras reforzadas mutuas en la estructura y aumentar las propiedades mecánicas.

La estructura de la presente invención tiene preferentemente una rigidez flexional específica en un intervalo de 3 o más y 20 o menos, siendo la rigidez flexional específica representada por Ec1/3 p-1 con el módulo de flexión definido como Ec y la densidad definida como p, y la estructura tiene preferentemente un módulo de flexión Ec de 3 GPa o más, desde un punto de vista del equilibrio entre la rigidez flexional y la ligereza de la estructura de material compuesto formada. La estructura que tiene una rigidez flexional específica inferior a 3 tiene una elevada densidad aun cuando tiene un alto módulo de flexión y sea algunas veces incapaz de obtener un efecto deseado de reducir peso. Por otra parte, la estructura que tiene una rigidez flexional específica superior a 20 indica que tiene un bajo módulo de flexión aun cuando tiene un efecto suficiente de reducir el peso, y algunas veces tiene problemas en retener una forma deseada como la estructura o es algunas veces inferior en módulo de flexión de sí mismo. El acero y el aluminio tienen, en general, una rigidez flexional específica de 1,5 o menos, y así la estructura en la estructura de material compuesto según la presente invención tiene una rigidez flexional específica mucho más excelente que la rigidez flexional específica de estos materiales metálicos. La estructura en la estructura de material compuesto según la presente invención tiene una rigidez flexional específica de preferentemente 4 o más, más preferentemente 5 o más en términos de equilibrio entre el efecto de reducir el peso y la rigidez flexional específica. La estructura tiene un módulo de flexión Ec de preferentemente 3 GPa o más, más preferentemente 6 GPa o más. El que la estructura tenga un módulo de flexión Ec inferior a 3 GPa causa algunas veces una limitación en un intervalo de formación de la estructura de material compuesto. Además, la estructura tiene preferentemente un módulo de flexión isotrópica para facilitar el diseño de la estructura de material compuesto. Un límite superior del módulo de flexión no está establecido. Sin embargo, en la estructura que contiene las primeras fibras reforzadas y la primera resina, el límite superior puede ser, en general, un valor calculado a partir de los módulos elásticos de los componentes constituyentes de la estructura, es decir, las primeras fibras reforzadas y la primera resina. En la estructura de la presente invención, los miembros se diseñan usando el módulo de flexión de la estructura en sí, y un módulo de flexión de 5 GPa es suficiente para uso práctico.

Las primeras fibras reforzadas de la presente invención son fibras discontinuas y tienen un ángulo de orientación promedio de la fibra en función del espesor en un intervalo de 5° a 60°. Las primeras fibras reforzadas que son fibras discontinuas facilitan la formación de la estructura en una forma complicada cuando una fuerza externa se aplica a la estructura para el moldeo. Además, las primeras fibras reforzadas que tienen un ángulo de orientación promedio de la fibra en función del espesor en el intervalo de 5° a 60° densifican los vacíos formados por las primeras fibras reforzadas, son capaces de generar eficazmente los vacíos y facilitan el control de la densidad de la estructura. Es decir, en la estructura, las primeras fibras reforzadas que son fibras discontinuas y tienen un ángulo de orientación promedio de la fibra en el intervalo específico son capaces de minimizar una porción mecánicamente débil que se puede generar en un extremo de un haz de fibras de las primeras fibras reforzadas en la estructura, para conferir isotropía, además de excelente eficiencia y fiabilidad de refuerzo.

Es posible medir el ángulo de orientación de la fibra de las primeras fibras reforzadas en la estructura del mismo modo que el ángulo de orientación de la fibra de las segundas fibras reforzadas en el laminado.

Las primeras fibras reforzadas se dispersan preferentemente en casi monofilamentos y aleatoriamente para permitir la homogenización de la estructura y garantizar la estabilidad de la rigidez flexional. Aquí, la expresión "en casi monofilamentos" se refiere a que existen como cadenas de denier fino que tienen menos de 500 hilos individuales reforzados con fibra. Las primeras fibras reforzadas se dispersan más preferentemente en monofilamentos.

Las primeras fibras reforzadas de la presente invención tienen preferentemente una forma de una tela no tejida desde un punto de vista de fácil impregnación de la periferia de las primeras fibras reforzadas con la primera resina. Es preferible que las primeras fibras reforzadas tengan una forma de una tela no tejida debido a que no solo proporciona una fácil manipulación de la tela no tejida en sí, sino que también son capaces de facilitar la impregnación incluso cuando el termoplástico que generalmente se considera por tener alta viscosidad se usa como la primera resina. Aquí, la "forma de una tela no tejida" se refiere a una forma en la que cadenas y/o monofilamentos de las primeras fibras reforzadas se dispersan irregularmente y de forma plana, y ejemplos de la forma incluyen una estera de hebra cortada, una estera de hebra continua, una estera de fabricación de papel, una estera de cardado y una estera tendida al aire (en lo sucesivo, estas esteras se denominan conjuntamente esteras reforzadas con fibra).

Los ejemplos de un método de fabricación de una estera reforzada con fibra contenida en la estructura incluye un método de fabricación de una estera reforzada con fibra dispersando las primeras fibras reforzadas en hebras y/o casi monofilamentos por adelantado. Las técnicas conocidas, como el método de fabricación de una estera reforzada con fibra son, por ejemplo, un proceso en seco, tal como un método de tendido al aire para formar las primeras fibras reforzadas en una hoja de dispersión por un flujo de aire o un método de cardado para formar las primeras fibras reforzadas en una hoja mientras se cargan mecánicamente las primeras fibras reforzadas y se ponen las primeras fibras reforzadas en una forma, y un proceso en húmedo de agitación de las primeras fibras reforzadas en agua, seguido por la fabricación del papel. Los ejemplos de medios de poner las primeras fibras reforzadas más próximas a los monofilamentos en el proceso en seco incluyen un método para proporcionar barras de abertura de fibras, un método para el vibrado adicional de barras de abertura de fibras, un método para la fabricación adicional de un diente de un fino de carda y un método de ajuste de la tasa de rotación de una carda. Los ejemplos de los medios en el proceso en húmedo incluyen un método de ajuste de las condiciones para la agitación de las primeras fibras reforzadas, un método de dilución de la concentración de las fibras reforzadas en un líquido de dispersión, un método de ajuste de la viscosidad de un líquido de dispersión y un método de supresión de flujo de vórtex cuando se transfiere el líquido de dispersión. Particularmente, la estera reforzada con fibra se fabrica preferentemente por el proceso en húmedo. Es posible ajustar fácilmente la proporción de las primeras fibras reforzadas en la estera reforzada con fibra aumentando la concentración de las fibras cargadas o ajustando el caudal (cantidad de flujo) de un líquido de dispersión y la tasa de una cinta transportadora de malla. Por ejemplo, el disminuir la tasa de una cinta transportadora de malla con respecto al caudal de un líquido de dispersión hace que sea menos probable que la orientación de las fibras en la estera reforzada con fibra obtenida se dirija hacia la dirección de arrastre para permitir la fabricación de una estera reforzada con fibra densa. La estera reforzada con fibra se puede formar de las primeras fibras reforzadas solas, una mezcla de las primeras fibras reforzadas con un polvo o componente de resina de matriz fibrosa, una mezcla de las primeras fibras reforzadas con un compuesto orgánico o un compuesto inorgánico, o las primeras fibras reforzadas que se tapan entre sí por un componente de resina.

La estera reforzada con fibra se puede impregnar con la primera resina por adelantado para preparar un precursor de estructura. Como un método de fabricación de dicho precursor de estructura, es preferible usar un método de aplicación de presión sobre la estera reforzada con fibra junto con la primera resina que se ha calentado a un temperatura de fusión o de reblandecimiento o más alta e impregnar la estera reforzada con fibra con la primera resina, desde un punto de vista de fácil de la fabricación. Específicamente, ejemplos preferibles del método incluyen un método de disponer la primera resina sobre ambos lados en función del espesor de la estera reforzada con fibra para formar un producto laminado y realizar la impresión del fundido sobre la estera reforzada con fibra con la primera resina.

Como un equipo para la implementación de los métodos anteriores, es posible usar adecuadamente una máquina de moldeo por compresión o una prensa de correa doble. La primera se usa para un método de tipo discontinuo y es posible mejorar la productividad empleando un sistema de prensa de tipo intermitente que incluye dos o más máquinas para calentar y enfriar en combinación. La última se usa para un método continuo que permite el fácil y continuo procesamiento para que sea excelente en productividad continua.

La estructura de la presente invención contiene preferentemente fibras de carbono como las primeras fibras reforzadas y termoplástico como la primera resina. Es preferible el uso de fibras de carbono como las primeras fibras reforzadas debido a que permite la formación de una estructura de equilibrio excelente entre las propiedades mecánicas y la ligereza. Es preferible el uso de termoplástico como la primera resina desde los puntos de vista de fácil fabricación de la estructura y fácil ajuste del espesor de la estructura de material compuesto formado.

[Primeras fibras reforzadas y segundas fibras reforzadas]

Los ejemplos de las primeras fibras reforzadas contenidas en la estructura y las segundas fibras reforzadas contenidas en el laminado en la estructura de material compuesto según la presente invención incluyen fibras metálicas, tales como aluminio y acero inoxidable, fibras de carbono basadas en PAN, basadas en rayón, basadas en lignina o basadas en PITCH, fibras de grafito, fibras aislantes, tales como vidrio, fibras orgánicas, tales como aramida, PBO y poli(sulfuro de fenileno) y fibras inorgánicas, tales como carburo de silicio y nitruro de silicio. La primera y segundas fibras reforzadas pueden ser las obtenidas por tratamiento superficial de estos tipos de fibras. Los ejemplos del tratamiento superficial incluyen, además de un tratamiento de depositar un metal como un conductor, un tratamiento con un agente de acoplamiento, un tratamiento con un agente de encolado, un tratamiento con un agente de anclaje y un tratamiento de unión de un agente aditivo. Estos tipos de fibras se pueden usar solos, o dos o más tipos de fibras se pueden usar en combinación. Entre estos tipos de fibras, se usan preferentemente las fibras de carbono basadas en PAN, basadas en PITCH o basadas en rayón que son excelentes en resistencia específica y rigidez específica desde un punto de vista de un efecto de reducir el peso. Además, se usan preferentemente fibras de vidrio desde un punto de vista de aumentar la eficiencia económica de la estructura obtenida, y particularmente, se usan preferentemente fibras de carbono y fibras de vidrio en combinación en términos de equilibrio entre las propiedades mecánicas y la eficiencia económica. Además, se usan preferentemente fibras de aramida desde un punto de vista de aumentar una propiedad de absorción del impacto y moldeado de la estructura obtenida, y particularmente, se usan preferentemente fibras de carbono y fibras de aramida en combinación en términos de equilibrio entre las propiedades mecánicas y la propiedad de absorción del impacto. Además, también es posible usar fibras reforzadas recubiertas con un metal, tal como níquel, cobre o iterbio desde un punto de vista de aumentar la conductividad de la estructura obtenida. Entre estos tipos de fibras, es posible usar más preferentemente fibras de carbono basadas en PAN excelentes en propiedades mecánicas, tales como resistencia y módulo elástico.

[Primera resina y segunda resina]

Los ejemplos de la primera resina contenida en la estructura y la segunda resina contenida en el laminado en la estructura de material compuesto según la presente invención incluyen resina termoplástica y termoestable. En la presente invención, la resina termoestable se puede combinar con termoplástica. En este caso, el nombre de resina que representa la primera resina o la segunda resina es un componente que representa más del 50 % en masa entre componentes que constituyen la primera resina o la segunda resina. Cuando se usa resina termoestable como la primera resina, la resina termoestable en la estructura significa su producto curado. Del mismo modo, cuando se usa resina termoestable como la segunda resina, la resina termoestable en el laminado significa su producto curado. La primera resina y la segunda resina de la presente invención pueden contener al menos un tipo de termoplástico. Los ejemplos de termoplástico incluyen resina cristalina, tal como poliésteres (por ejemplo, poli(tereftalato de etileno) (PET), poli(tereftalato de butileno) (PBT), poli(tereftalato de trimetileno) (pTt ), poli(naftalato de etileno) (PEN) y poliéster de cristal líquido), poliolefinas (por ejemplo, polietileno (PE), polipropileno (PP) y polibutileno), polioximetileno (POM), poliamida (PA), poli(sulfuros de arileno) (por ejemplo, poli(sulfuro de fenileno) (PPS)), policetona (PK), poliéter cetona (PEK), poliéter éter cetona (PEEK), poliéter cetona cetona (PEKK), poliéter nitrilo (PEN), resina basada en flúor (por ejemplo, politetrafluoroetileno) y polímero de cristal líquido (LCP); resina amorfa, tal como resina basada en estireno, así como policarbonato (PC), poli(metacrilato de metilo) (PMMA), poli(cloruro de vinilo) (PVC), polifenilen éter (PPE), poliimida (PI), poliamidaimida (PAI), poliéter imida (PEI), polisulfona (PSU), poliéter sulfona y poliarilato (PAR); otros materiales, tales como resina fenólica, resina fenoxi, resina basada en poliestireno, basada en poliolefina, basada en poliuretano, basada en poliéster, basada en poliamida, basada en polibutadieno, basada en poliisopreno o basada en flúor, y elastómeros termoplásticos (por ejemplo, basados en acrilonitrilo); y termoplásticos seleccionados de copolímeros y productos modificados de estos tipos de resina. Entre estos tipos de termoplásticos, es preferible una poliolefina desde el punto de vista de la ligereza de la estructura de material compuesto obtenida, es preferible la poliamida desde el punto de vista de resistencia, es preferible resina amorfa, tal como policarbonato y resina basada en estireno, desde el punto de vista del aspecto superficial, es preferible un poli(sulfuro de arileno) desde el punto de vista de resistencia al calor, es preferible poliéter éter cetona desde el punto de vista de temperatura de uso continuo y se usa preferentemente resina basada en flúor desde el punto de vista de resistencia a productos químicos.

La primera resina y la segunda resina de la presente invención pueden contener al menos un tipo de resina termoestable. Los ejemplos de resina termoestable incluyen poliéster insaturado, éster vinílico, resina epoxi, resina fenólica, resina de urea, resina de melamina, una poliimida termoestable, copolímeros y productos modificados de estos tipos de resina, y resina combinada de al menos dos de estos tipos de resina. Es posible usar preferentemente resina epoxi desde el punto de vista de propiedades mecánicas de la estructura de material compuesto obtenida. Es posible usar preferentemente poliéster insaturado, éster vinílico o resina epoxi desde el punto de vista de un diseño superficial. Es posible usar preferentemente resina fenólica desde el punto de vista de retardo de la llama.

La primera resina y la segunda resina pueden contener un mejorador de la resistencia al impacto, tal como elastómero o un componente de caucho u otra carga o aditivo en un intervalo sin alterar los objetivos de la presente invención. Los ejemplos de la carga y el aditivo incluyen una carga inorgánica, un retardante de la llama, un agente que confiere conductividad, un agente de nucleación, un absorbente de ultravioleta, un antioxidante, un amortiguador, un antibacteriano, un repelente de chinches, un desodorante, un inhibidor de la coloración, un termoestabilizador, un desmoldeante, un agente antiestático, un plastificante, un lubricante, un colorante, un pigmento, un tinte, un espumante, un desespumante y un agente de acoplamiento.

La primera resina contenida en la estructura de la presente invención es preferentemente termoplástica desde los puntos de vista de moldeado de forma y fácil producción de la estructura. Por otra parte, la segunda resina contenida en el laminado es preferentemente resina termoestable desde los puntos de vista de estabilidad de las propiedades mecánicas, fiabilidad y moldeado.

[Método de fabricación de la estructura de material compuesto]

Para la estructura de material compuesto según la presente invención se emplea preferentemente un método de fabricación que incluye al menos las siguientes etapas 1, 2 y 3 realizadas en este orden, desde los puntos de vista de fácil fabricación, control del espesor de la estructura de material compuesto fabricada y tasa de fabricación: etapa 1: laminar un precursor de laminado sobre al menos una superficie de un precursor de estructura para formar una estructura laminada, conteniendo el precursor de estructura termoplástico como la primera resina y las primeras fibras reforzadas y que sustancialmente no contiene vacíos, y conteniendo el precursor de laminado resina termoestable como la segunda resina y las segundas fibras reforzadas;

etapa 2: disponer la estructura laminada en moldes que tienen una forma de flexión, una forma irregular (por ejemplo, una protuberancia) o una forma de nervio en al menos la dirección de laminación de la estructura laminada y curar la resina termoestable mientras se conforma la estructura laminada en la forma de los moldes calentando y comprimiendo para formar un precursor de estructura de material compuesto; y

etapa 3: ajustar un espesor del precursor de estructura de material compuesto mientras se funde o reblandece el termoplástico, para expandir el precursor de estructura y así formar una estructura, que da una estructura de material compuesto.

El precursor de estructura "que sustancialmente no contiene vacíos" usado en la etapa 1 se refiere al precursor de estructura que tiene un contenido en volumen de los vacíos del 5 % en vol. o menos. El precursor de estructura que tiene un contenido en volumen de los vacíos del 5 % en vol. o menos da un módulo de flexión suficiente en la etapa 1 incluso cuando tiene un espesor pequeño, para cumplir la manejabilidad.

La resina termoestable en el precursor de laminado usado en la etapa 1 es resina termoestable sin curar y se cura en la etapa 2.

La etapa 1 es una etapa de obtener una estructura de laminado formada por el laminado del precursor de laminado sobre el precursor de estructura. La etapa 2 es una etapa de disponer la estructura laminada obtenida en la etapa 1 en un par de moldes macho y hembra que tienen una forma del miembro de refuerzo o funcional, tal como una forma de flexión, una forma irregular (por ejemplo, una protuberancia), o una forma de nervio y que conforma la estructura laminada en la forma calentando y comprimiendo. En la etapa 2, es preferible dar a la estructura de laminado calor suficiente para permitir que la resina termoestable contenida en el laminado forme una estructura de reticulación para el curado. La presión en la etapa 2 es suficiente si solo permite que la estructura laminada, preferentemente el precursor laminado, circule en la porción que sobresale, y es suficiente una presión de 0,3 a 10 Mpa.

La etapa 3 es una etapa de ajustar el espesor del precursor de estructura de material compuesto obtenido en la etapa 2 mientras se calienta el precursor de estructura de material compuesto, para expandir el precursor de estructura y así formar una estructura que tiene vacíos, dando una estructura de material compuesto. La temperatura de calentamiento en este momento es preferentemente lo suficientemente alta como para dar una cantidad suficiente de calor para la fusión o el reblandecimiento del termoplástico contenido en la estructura, desde los puntos de vista de controlar el espesor de la estructura de material compuesto fabricada y de una tasa de fabricación. Específicamente, es preferible aplicar una temperatura de 10 °C o más superior a la temperatura de fusión del termoplástico (primera resina) y de la temperatura de pirólisis o menor del termoplástico (primera resina). La presión es suficiente si solo previene que los moldes se abran durante el control de espesor, y es suficiente una presión de 3 a 10 MPa.

Como método para realizar las etapas 2 y 3, se puede emplear cualquier método, en tanto que permita, por calentamiento, que la resina termoestable en el precursor de laminado forme una estructura de reticulación para el curado y expanda el termoplástico en el precursor de estructura para permitir el control del espesor de la estructura de material compuesto hasta un espesor objetivo. Se ejemplifica como un método preferible desde el punto de vista de fabricación simple un método de limitación del espesor del precursor de estructura de material compuesto con, por ejemplo, una placa de metal o un método de control del espesor del precursor de estructura de material compuesto por presión aplicada al precursor de estructura de material compuesto. Como equipo para implementar los métodos anteriores, es posible usar adecuadamente un máquina de moldeo por compresión. Cuando se usa un método de tipo discontinuo, es posible mejorar la productividad empleando un sistema de prensa de tipo intermitente que incluye dos o más máquinas para calentar y enfriaren combinación.

La estructura de material compuesto según la presente invención se usa preferentemente para la parte interior o exterior de un automóvil, un cuerpo de dispositivo eléctrico o electrónico, una bicicleta, un material de estructura para artículos deportivos, un material interior para avión y una caja de transporte. En particular, la estructura de material compuesto es especialmente adecuada para un miembro de módulo que consiste en una pluralidad de componentes.

Ejemplos

En lo sucesivo, la presente invención se describirá más específicamente a modo de ejemplo; los Ejemplos 3 y 7 (con laminado D) no son según la invención.

(1) Ángulos de orientación promedio de la fibra de primeras fibras reforzadas y segundas fibras reforzadas en la estructura de material compuesto

Se extrajeron un laminado y una estructura por molienda de las estructuras de material compuesto producidas en los ejemplos y ejemplos comparativos y se cortó un trozo de 25 mm de ancho del laminado y la estructura.

El laminado y la estructura cortados se sometieron cada uno a un observación de la sección para medir los ángulos de orientación promedio de la fibra de las primeras fibras reforzadas y las segundas fibras reforzadas. El trozo se incorporó en resina epoxi y se pulió de forma que una sección en paralelo a la dirección del espesor fuera una superficie de observación, para producir una muestra. La muestra se observó con un microscopio láser (VK-9510, fabricado por KEYENCE CORPORATION) con un aumento de 400 veces.

El ángulo de orientación promedio de la fibra del laminado se observó de forma que la capa más próxima de la muestra a la estructura transcurriera a lo largo de la dirección longitudinal de la fibra de las segundas fibras reforzadas. La medición del ángulo de orientación de la fibra se realizó midiendo, con la superficie límite entre el laminado y la estructura establecida como nivel estándar (0°), los ángulos entre el nivel estándar y un total de 400 segundas fibras reforzadas en la muestra de observación extraída, y obteniendo un valor promedio aritmético de los valores medidos como el ángulo de orientación promedio de la fibra de las segundas fibras reforzadas.

(2) Relación (As)/(Ap) entre el área proyectada (Ap) de superficie (denominado plano de proyección) que tiene porción que sobresale y el área de estudio real de plano de proyección (As) en la estructura de material compuesto En lo que respecta a las estructuras de material compuesto producidas en los ejemplos y los ejemplos comparativos, se obtuvo con una cámara digital una imagen vertical a una porción de superficie de la estructura de material compuesto. El área de la porción de superficie se calculó a partir de la escala de la imagen obtenida y se definió como un área proyectada (Ap). A continuación, se midieron la longitud, la profundidad y el espesor de las formas (porción que sobresale) sobre el plano de proyección usando un calibre de vernier, y el área de las formas se calculó de los resultados de medición, y el área calculada se definió como un área de estudio real del plano de proyección (As). La relación entre el área proyectada (Ap) y el área de estudio real del plano de proyección (As) se calculó por (As)/(Ap).

(3) Contenido en volumen de laminado en la porción que sobresale

Solo se quitó una porción que sobresale cortando de las estructuras de material compuesto. A continuación, la porción de corte se cortó en 5 trozos iguales. Se realizó la observación de la sección en los trozos para medir el contenido en volumen del laminado en la porción que sobresale. Se midió una longitud (L1) perpendicular a una superficie (superficie de observación) en paralelo con la dirección del espesor del trozo por un micrómetro por adelantado. A partir de aquí, el trozo se incorporó en resina epoxi y se pulió de forma que una sección en paralelo con la dirección del espesor fuera una superficie de observación, para producir una muestra.

La muestra se amplió con un aumento de 200 veces con un microscopio láser (VK-9510, fabricado por KEYENCE CORPORATION) para observar la sección, la imagen de observación obtenida se implementó con el software de análisis de imágenes generalmente usado y se obtuvo un área de toda la porción que sobresale (S1) usando un programa suministrado en el software.

A partir de aquí, la porción de laminado se extrajo por el contraste confirmado en la imagen de observación, y se obtuvo un área de la porción de laminado (S2) del mismo modo que se ha descrito anteriormente, usando el programa en el software de análisis de imágenes generalmente usado. Las áreas obtenidas se sustituyeron en la siguiente fórmula para calcular un contenido en volumen del laminado en la porción que sobresale, y se calculó un valor promedio aritmético de los trozos medidos.

Contenido en volumen del laminado en la porción que sobresale = 100 -((S1 - S2) x L1) / (S1 x L1)) x 100 (4) Variación en el contenido en volumen de segundas fibras reforzadas en el laminado

Se extrajo un laminado por trituración de las estructuras de material compuesto, y a partir de aquí, el laminado se cortó en una porción que sobresale y una porción distinta de la porción que sobresale. A continuación, la porción que sobresale se cortó en 4 porciones iguales. La porción distinta de la porción que sobresale se cortó en un trozo cuadrado de 25 mm. Cuando es inferior a 25 mm, la porción distinta de la porción que sobresale se cortó en 4 trozos isométricos. El contenido en volumen de las segundas fibras reforzadas se calculó del mismo modo que en (3), excepto la dimensión del corte. Además, se calculó una desviación estándar a partir de los valores medidos del contenido en volumen de las segundas fibras reforzadas, la desviación estándar se dividió por un valor promedio para calcular un coeficiente de variación (valor CV (%)) como un indicador de variabilidad, y el coeficiente de variación se definió como una variación en el contenido en volumen.

(5) Relación entre la longitud de fibra promedio másica de las segundas fibras reforzadas en laminado (Ls) y la longitud de fibra promedio másica de las primeras fibras reforzadas en la estructura (Lc)

Se extrajeron un laminado y una estructura de las estructuras de material compuesto por molienda. A continuación, cada uno del laminado y la estructura se calentó en aire a 500 °C durante 30 minutos para quemar su componente de resina. Las fibras reforzadas restantes se extendieron como una muestra sobre papel de filtro. La muestra se amplió con un aumento de 200 veces con un microscopio láser (VK-9510, fabricado por KEYENCE CORPORATION) para medir la longitud de fibra de la muestra. Las longitudes de fibra promedio másicas (Ls) y (Lc) se obtuvieron de los resultados de medición obtenidos por la siguiente fórmula, y la relación entre las longitudes de fibra promedio másica se calculó por la siguiente fórmula.

Relación en la longitud de fibra promedio másica entre las segundas fibras reforzadas y las primeras fibras reforzadas = (Ls) / (Lc)

Longitud de fibra promedio másica de primeras fibras reforzadas (Lc) y longitud de fibra promedio másica de segundas fibras reforzadas (Ls)

Longitud de fibra promedio másica = Z (Li x Wi /100)

Li: Longitud de fibra medida (i = 1, 2, 3...n)

Wi: Fracción másica de fibra de longitud de fibra Li (i = 1, 2, 3...n)

(6) Contenido en volumen de las primeras fibras reforzadas en la estructura Vf

Después de medir una masa de la estructura Ws, la estructura se calentó en aire a 500 °C durante 30 minutos para quemar su componente de resina, se midió una masa de las primeras fibras reforzadas Wf restantes y se calculó el contenido en volumen de las primeras fibras reforzadas por la siguiente fórmula.

Contenido en volumen de las primeras fibras reforzadas Vf (% en vol.) = (Wf / pf) / {Wf / pf (Ws - Wf) / pr} x 100

pf: densidad de primeras fibras reforzadas (g/cm3)

pr: densidad de la primera resina (g/cm3)

(7) Contenido en volumen de vacíos en la estructura

Se cortó un trozo de prueba de 10 mm de la estructura, se observó una sección de la pieza de prueba con un microscopio electrónico de barrido (SEM) (tipo S-4800, fabricado por Hitachi High-Technologies Corporation) y se obtuvieron imágenes de la superficie de la estructura en 10 localizaciones con un intervalo igual con un aumento de 1000 veces. Se obtuvo un área de vacíos Aa en cada una de las imágenes. Un porcentaje de los vacíos se calculó dividiendo el área de vacíos Aa entre el área de toda la imagen. El contenido en volumen de los vacíos en la estructura se obtuvo por un promedio aritmético de porcentajes de los vacíos en un total de 50 localizaciones, 10 localizaciones en cada una de las 5 pieza de prueba.

(8) Contenido en volumen de la primera resina en estructura

El contenido en volumen de la primera resina se obtuvo por la siguiente fórmula usando los valores del contenido en volumen de las primeras fibras reforzadas y el contenido en volumen de los vacíos en la estructura que se obtuvieron en (6) y (7) .

Contenido en volumen de la primera resina Vr (% en vol.) = 100 -(Vf Va) Vf: contenido en volumen de las primeras fibras reforzadas (% en vol.)

Va: contenido en volumen de vacíos (% en vol.)

(9) Módulo de flexión y rigidez flexional específica de la estructura

Se cortaron trozos de prueba de la estructura y el módulo de flexión se midió según el método ISO178 (1993). Los trozos de prueba se produjeron cortando la estructura en cuatro direcciones a 0°, 45°, -45° y 90°, con cualquier dirección definida como 0°, cada dirección tuvo varios trozos medidos de 5 (n = 5), y se definió un valor promedio aritmético como módulo de flexión Ec. Como dispositivo de medición se usó una máquina de prueba de materiales universal del tipo 5565 "INSTRON (marca registrada)" (fabricada por INSTRON JAPAN Co., Ltd.).

Como densidad, se midió la densidad aparente de los trozos de prueba anteriores con referencia a JIS K7222 (2005). La longitud, la anchura y el espesor de cada uno de los trozos de prueba se midió por un micrómetro, y se calculó un volumen V del trozo de prueba de los valores obtenidos. Además, una masa M del trozo de prueba usado para la medición se midió por una balanza electrónica. La masa M y el volumen V obtenidos se sustituyeron en la siguiente fórmula para calcular una densidad p de la estructura.

El módulo de flexión Ec y la densidad p obtenidos anteriormente se sustituyeron en la siguiente fórmula para calcular una rigidez flexional específica de la estructura. Como módulo de flexión y densidad, se obtuvo un promedio aritmético de los trozos medidos y se usó como un valor representativo.

Rigidez flexional específica = Ec1/3 / p

Los siguientes materiales se usaron en los siguientes ejemplos y ejemplos comparativos.

[Fibras de carbono]

Un copolímero que contenía poliacrilonitrilo como componente principal se sometió a un procesamiento por hilado, procesamiento por calcinación y procesamiento por tratamiento por oxidación superficial, y se obtuvo un total de 12.000 hilos individuales como fibras de carbono continuas. Las propiedades de las fibras de carbono continuas fueron las siguientes.

Diámetro de fibra individual: 7 ^m

Densidad: 1,8

Resistencia a la tracción: 4600 MPa

Módulo elástico a la tracción: 220 GPa

[Resina de PP]

Se produjo una hoja de resina que estaba formada por 80 % en masa de resina de polipropileno sin modificar ("Prime Polypro" (marca registrada) J105G fabricada por PRIME POLYMER Co., Ltd.) y 20 % en masa de resina de polipropileno modificada con ácido ("ADMER" QB510 fabricado por Mitsui Chemicals, Inc.) con un peso por unidad de área de 100 g/m2. La Tabla 1 muestra las propiedades de la hoja de resina obtenida.

[Resina de PA6]

Se produjo una película de resina que estaba formada por resina de nailon 6 ("AMILAN" (marca registrada) CM1021T fabricada por Toray Industries, Inc.) con un peso por unidad de área de 124 g/m2. La Tabla 1 muestra las propiedades de la película de resina obtenida.

[Resina de PEs]

Se produjo una película de resina que se formó de resina de poliéster ("Hytrel" (marca registrada) SB754 fabricada por Toray Industries, Inc.) con un peso por unidad de área de 121 g/m2. La Tabla 1 muestra las propiedades de la película de resina obtenida.

[Resina epoxi]

Se preparó una composición de resina epoxi sin curar calentando y amasando, con una amasadora, resina epoxi (30 partes en masa de "EPIKOTE (marca registrada)" 828, 35 partes en masa de "EPIKOTE (marca registrada)" 1001 y 35 partes en masa de "EPIKOTE (marca registrada)" 154 fabricadas por Japan Epoxy Resins Co., Ltd.) y 5 partes en masa de polivinilformal termoplástico ("Vinylec (marca registrada)" K fabricado por CHISSO CORPORATION) para disolver uniformemente polivinilformal, y luego amasando, con una amasadora, 3,5 partes en masa del agente de curado diciandiamida (DICY7 fabricado por Japan Epoxy Resins Co., Ltd.) y 7 partes en masa del acelerador del curado 4,4-metilenbis(fenildimetilurea) ("OMIc Ur E" (marca registrada) 52 de PTI Japan Limited). Se produjo una película de resina con un peso por unidad de área de 132 g/m2 a partir de la composición de resina epoxi sin curar con una recubridora de cuchilla. La Tabla 1 muestra las propiedades de la película de resina obtenida.

[Estructura A]

Con el uso de las fibras de carbono como las primeras fibras reforzadas, las fibras de carbono se cortaron con un cortador de hebras a 6 mm dando fibras de carbono cortadas. Se preparó un líquido de dispersión formado de agua y un tensioactivo (polioxietilen lauril éter (nombre comercial) fabricado por NACALAI TESQUE, INC.) a una concentración del 0,1 % en masa, y se fabricó una estera reforzada con fibra usando el líquido de dispersión y las fibras de carbono cortadas. Un dispositivo de fabricación incluye, como tanque de dispersión, un recipiente en forma de cilindro de 1000 mm de diámetro que tiene un grifo de abertura en una porción más baja del recipiente, e incluye una parte de transporte lineal (ángulo de inclinación: 30°) que conecta el tanque de dispersión con un tanque de fabricación de papel. Un agitador está fijado en una abertura sobre una superficie superior del tanque de dispersión, y es posible cargar las fibras de carbono cortadas y el líquido de dispersión (medio de dispersión) a través de la abertura en el tanque de dispersión. El tanque de fabricación de papel incluye una cinta transportadora de malla que tiene una superficie de fabricación de papel de 500 mm de anchura en la parte inferior y tiene la cinta transportadora de malla del mismo conectada con una cinta transportadora capaz de suministrar un sustrato de fibra de carbono (sustrato de fabricación de papel). La fabricación de papel se realizó con la concentración de las fibras de carbono en el líquido de dispersión establecido al 0,05 % en masa. El sustrato de fibra de carbono producido por la fabricación de papel se secó en un horno seco a 200 °C durante 30 minutos dando una estera reforzada con fibra. El peso por unidad de área de la estera fue 50 g/m2

Se produjo un producto laminado disponiendo la estera reforzada con fibra y la resina de PP como la primera resina en un orden de [primera resina/estera reforzada con fibra/primera resina/estera reforzada con fibra/primera resina/estera reforzada con fibra/primera resina/estera reforzada con fibra/estera reforzada con fibra/primera resina/estera reforzada con fibra/primera resina/estera reforzada con fibra/primera resina/estera reforzada con fibra/primera resina]. A continuación, la estructura se sometió a las siguientes etapas (I) a (V) dando una estructura A. La Tabla 2 muestra las propiedades de la estructura A.

(I) El producto laminado se dispone en una cavidad de moldeo por compresión del molde que se ha calentado preliminarmente a 230 °C y se cierran los moldes.

(II) A continuación, los moldes se mantienen durante 120 segundos y luego se mantienen adicionalmente durante 60 segundos mientras se comprimen a una presión de 3 MPa.

(III) Después de la etapa (II), la cavidad del molde se abre y se inserta un espaciador metálico en un extremo de la cavidad para ajustar el espesor de una estructura obtenida hasta 3,4 mm.

(IV) A partir de aquí, la cavidad del molde se cierra fuertemente otra vez, y los moldes se enfrían hasta una temperatura de la cavidad de 50 °C mientras se mantiene la presión.

(V) Se abren los moldes y se extrae una estructura.

[Estructura B]

Se obtuvo una estructura B del mismo modo que la estructura A, excepto que la primera resina se cambió de resina de PP a la resina de PA6, la temperatura preliminar en la etapa (I) se cambió de 230 °C a 260 °C y la temperatura de la cavidad en la etapa (IV) se cambió de 50 °C a 60 °C. La Tabla 2 muestra las propiedades de la estructura B. [Estructura C]

Se obtuvo una estructura C del mismo modo que la estructura A, excepto que la primera resina se cambió de resina de PP a resina de PEs y la temperatura preliminar en la etapa (I) se cambió de 230 °C a 200 °C. La Tabla 2 muestra las propiedades de la estructura C.

[Estructura D]

Se obtuvo un producto laminado del mismo modo que la estructura A cambiando la primera resina de la resina de PP a la resina epoxi. A continuación, el producto laminado se sometió a las siguientes etapas (I) a (V) dando una estructura D. La Tabla 2 muestra las propiedades de la estructura D.

(I) El producto laminado se dispone en una cavidad de moldeo por compresión del molde que se ha calentado preliminarmente a 150 °C y se cierran los moldes.

(II) A continuación, los moldes se mantienen durante 20 segundos mientras se comprimen a una presión de 1 MPa.

(III) Después de la etapa (II), la cavidad del molde se abre y se inserta un espaciador metálico en un extremo de la cavidad para ajustar el espesor de una estructura obtenida hasta 3,3 mm, y entonces los moldes se cierran otra vez y se mantiene una presión de 1 MPa durante 30 minutos.

(IV) A partir de aquí, los moldes se enfrían hasta una temperatura de la cavidad de 30 °C mientras se retiene la presión.

(V) Se abren los moldes y se extrae una estructura.

[Estructura E]

Se obtuvo una estructura E del mismo modo que la estructura A, excepto que el espesor del espaciador metálico usado en la etapa (III) de fabricación de la estructura A se cambió de 3,4 mm a 6,8 mm. La Tabla 2 muestra las propiedades de la estructura E.

[Estructura F]

Se obtuvo una estera reforzada con fibra del mismo modo que la estera reforzada con fibra contenida en la estructura A, excepto que con el uso de las fibras de carbono como las primeras fibras reforzadas, las fibras de carbono se cortaron con un cortador de fibras a 15 mm dando fibras de carbono cortadas. A continuación, se obtuvo una estructura F del mismo modo que la estructura A, excepto que el espesor del espaciador metálico usado en la etapa (III) se cambió de 3,4 mm a 1,1 mm. La Tabla 2 muestra las propiedades de la estructura F.

[Estructura G]

Se obtuvo una estera reforzada con fibra del mismo modo que la estera reforzada con fibra contenida en la estructura A, excepto que con el uso de las fibras de carbono como las primeras fibras reforzadas, las fibras de carbono se cortaron con un cortador de fibras a 0,5 mm dando fibras de carbono cortadas. A continuación, se obtuvo una estructura G del mismo modo que la estructura A, excepto que el espesor del espaciador metálico usado en la etapa (III) se cambió de 3,4 mm a 1,7 mm. La Tabla 2 muestra las propiedades de la estructura G.

[Estructura H]

Se obtuvo una estructura H del mismo modo que la estructura A, excepto que el espesor del espaciador metálico usado en la etapa (III) de fabricación de la estructura A se cambió de 3,4 mm a 1,0 mm. La Tabla 2 muestra las propiedades de la estructura H.

[Laminado A]

Con el uso de la película de resina epoxi como segunda resina, a continuación, la película de resina epoxi se depositó en capas sobre cada una de ambas superficies de las fibras de carbono que se alinearon unidireccionalmente como las segundas fibras reforzadas, seguido de calentamiento y compresión, para impregnar las fibras de carbono con la resina epoxi y así producir un material preimpregnado que tenía un peso por unidad de área de las fibras de carbono de 125 g/m2, un contenido en volumen de fibras Vf del 60% y un espesor de 0,125 mm.

Sobre el material preimpregnado, se insertó continuamente un corte lineal en una dirección de 15° con respecto a la dirección de orientación de las fibras de carbono por una máquina de corte automática, y el material preimpregnado se cortó en un tamaño de 300 * 300 mm, dando así un material preimpregnado que tenía cortes regulares con un intervalo igual. No se insertó un corte en la periferia de 5 mm del material preimpregnado que tenía un tamaño de 300 * 300 mm para no hacer pedazos el material preimpregnado por cortes continuos (solo se insertaron cortes en un intervalo de 290 * 290 mm). La longitud de las fibras dividida entre los cortes fue 50 mm. Los materiales preimpregnados cortados con cortes se laminaron para formar cuatro capas [0°/90°/90°/0°], con la dirección de orientación de las segundas fibras reforzadas definida como dirección 0° y la dirección desplazada hacia la derecha por 90 grados desde la dirección de orientación de las segundas fibras reforzadas definida como 90°, y así da un laminado A. La tabla 3 muestra las propiedades del laminado A.

[Laminado B]

Se obtuvo un laminado B del mismo modo que el laminado A, excepto que la longitud de las fibras por los cortes se estableció en 10 mm, y los materiales preimpregnados con cortes se laminaron para formar cuatro capas [0°/-45°/90°/45°]. La Tabla 3 muestra las propiedades del laminado B.

[Laminado C]

Se obtuvo un laminado C del mismo modo que el laminado A, excepto que no se insertó corte. La Tabla 3 muestra las propiedades del laminado C.

[Laminado D]

Se obtuvo un laminado D del mismo modo que el laminado A, excepto que el ángulo de corte se estableció en 30° y los materiales preimpregnados con cortes se laminaron para formar cuatro capas [0°/- 45°/90°/45°]. La Tabla 3 muestra las propiedades del laminado D.

[Laminado E]

Se obtuvo un laminado E del mismo modo que el laminado A, excepto que el contenido de fibras en volumen Vf se estableció en 70 %. La Tabla 3 muestra las propiedades del laminado E.

[Laminado F]

Se obtuvo un laminado F del mismo modo que el laminado A, excepto que la longitud de corte del laminado se estableció en 150 mm, el contenido en volumen de fibras Vf se estableció en 45 % y los materiales preimpregnados con cortes se laminaron para formar cuatro capas [0°/0°/0°/0°]. La Tabla 3 muestra las propiedades del laminado F.

(Ejemplo 1)

Se procesaron moldes para formar la estructura de material compuesto para formar un nervio en forma de línea recta que tenía una anchura de 300 mm, un espesor de 2 mm y una altura de 20 mm, transversalmente en el centro plano de una forma de placa que tenía una longitud de 200 mm y una anchura de 300 mm. Los moldes tuvieron una estructura de borde de cizallamiento en un extremo de los mismos.

Etapa 1: se usó un precursor de la estructura A como estructura y el laminado A se usó como laminado. Estos miembros se laminaron como [laminado A/precursor de estructura A/laminado A] dando una estructura laminada. A continuación, la estructura laminada se dispuso en una cavidad de moldeo por compresión del molde que se había calentado preliminarmente a 150 °C.

Etapa 2: a continuación, los moldes se cerraron, se comprimieron a una presión de 1 MPa y se mantuvieron adicionalmente durante 10 minutos mientras se comprimían.

Etapa 3: después de que la temperatura de la cavidad del molde se elevara hasta 220 °C, se abrieron los moldes y se insertó un espaciador metálico en un extremo de los moldes para ajustar el espesor de una estructura a 3,4 mm. Etapa 4: a partir de aquí, la cavidad del molde se cerró fuertemente otra vez, y los moldes se enfriaron rápidamente hasta una temperatura de la cavidad de 50 °C mientras la presión se mantenía a 3 MPa.

Etapa 5: se abrieron los moldes y se extrajo una estructura de material compuesto.

En la estructura de material compuesto obtenida a través de las etapas, una porción que sobresale (forma de nervio) sobresalió de la forma de placa, y las segundas fibras reforzadas derivadas del laminado se cargaron hasta la punta de la porción que sobresale. Se ajustó el espesor del precursor de la estructura A por la etapa 4 y dio las mismas propiedades (densidad, contenido en volumen de cada elemento en estructura, módulo de flexión y rigidez flexional específica) que la estructura A (Tabla). La Tabla 4 muestra las propiedades de la estructura de material compuesto obtenida.

(Ejemplo 2)

Se obtuvo una estructura de material compuesto del mismo modo que en el Ejemplo 1, excepto que se usó un precursor de la estructura C como estructura, la temperatura se estableció a 200 °C en la etapa 3 y la estructura laminada se formó por laminación en un orden de [laminado A/estructura C]. La Tabla 4 muestra las propiedades de la estructura de material compuesto obtenida. La estructura en la estructura de material compuesto obtenida dio la mismas propiedades (densidad, contenido en volumen de cada uno elemento en estructura, módulo de flexión y rigidez flexional específica) que la estructura C.

(Ejemplo 3 - no según la invención)

Como moldes se usaron los moldes que se habían procesado para formar una protuberancia como una forma de protrusión que tenía $100 mm, un espesor de 2 mm y una altura de 2 mm, en una porción de centro plano de una forma de placa que tenía una longitud de 200 mm y una anchura de 300 mm. Se obtuvo una estructura de material compuesto del mismo modo que en el Ejemplo 1, excepto que se usaron un precursor de la estructura B y el laminado D como la estructura laminada y la temperatura se estableció a 240 °C en la etapa 3. La Tabla 4 muestra las propiedades de la estructura de material compuesto obtenida. La estructura en la estructura de material compuesto obtenida dio las mismas propiedades (densidad, contenido en volumen de cada uno elemento en estructura, módulo de flexión y rigidez flexional específica) que la estructura B.

(Ejemplo 4)

Como moldes se usaron moldes en forma de caja que se habían procesado para formar una forma de pared vertical que tenía un espesor de 1 mm y una altura de 40 mm, en la periferia, o cuatro lados en una forma de placa que tenía una longitud de 200 mm y una anchura de 300 mm. Se obtuvo una estructura de material compuesto del mismo modo que en el Ejemplo 1, excepto que se usaron un precursor de la estructura A y el laminado B como estructura laminada. La Tabla 4 muestra las propiedades de la estructura de material compuesto obtenida. La estructura en la estructura de material compuesto obtenida dio las mismas propiedades (densidad, contenido en volumen de cada uno elemento en estructura, módulo de flexión y rigidez flexional específica) que la estructura A.

(Ejemplo 5)

Como moldes se usaron moldes que se habían procesado para formar, con una forma semiesférica que tenía un diámetro de 150 mm y una altura de 100 mm usados como una base, una forma de nervio que tenía una anchura de 100 mm, un espesor de 2 mm y una altura de 5 mm, en cuatro direcciones, con un intervalo igual, desde la parte superior hasta los extremos de la forma semiesférica. Se obtuvo una estructura de material compuesto del mismo modo que en el Ejemplo 1, excepto que se usaron un precursor de la estructura E y el laminado B como estructura laminada. La Tabla 4 muestra las propiedades de la estructura de material compuesto obtenida. La estructura en la estructura de material compuesto obtenida dio las mismas propiedades (densidad, contenido en volumen de cada uno elemento en estructura, módulo de flexión y rigidez flexional específica) que la estructura E.

(Ejemplo 6)

Como moldes se usaron los moldes usados en el Ejemplo 4. Se obtuvo una estructura de material compuesto del mismo modo que en el Ejemplo 1, excepto que un precursor de la estructura G y el laminado E se usaron como estructura laminada. La Tabla 4 muestra las propiedades de la estructura de material compuesto obtenida. La estructura en la estructura de material compuesto obtenida dio las mismas propiedades (densidad, contenido en volumen de cada elemento en la estructura, módulo de flexión y rigidez flexional específica) que la estructura G. (Ejemplo 7 - no según la invención)

Como moldes se usaron los moldes usados en el Ejemplo 1. Se obtuvo una estructura de material compuesto del mismo modo que en el Ejemplo 1, excepto que se usaron un precursor de la estructura D y el laminado D como estructura laminada y la temperatura se estableció a 150 °C en la etapa 3. La Tabla 5 muestra las propiedades de la estructura de material compuesto obtenida. La estructura en la estructura de material compuesto obtenida dio las mismas propiedades (densidad, contenido en volumen de cada uno elemento en estructura, módulo de flexión y rigidez flexional específica) que la estructura D.

(Ejemplo 8)

Como moldes se usaron los moldes usados en el Ejemplo 1. Se obtuvo una estructura de material compuesto del mismo modo que en el Ejemplo 1, excepto que se usaron un precursor de la estructura F y el laminado B como estructura laminada. La Tabla 5 muestra las propiedades de la estructura de material compuesto obtenida. La estructura en la estructura de material compuesto obtenida dio las mismas propiedades (densidad, contenido en volumen de cada uno elemento en estructura, módulo de flexión y rigidez flexional específica) que la estructura F. (Ejemplo comparativo 1)

Como moldes se usaron los moldes usados en el Ejemplo 1. Se obtuvo una estructura de material compuesto del mismo modo que en el Ejemplo 1, excepto que se usaron un precursor de la estructura H y el laminado C como estructura laminada y la estructura de material compuesto se obtuvo sin la etapa 3 en el Ejemplo 1. La Tabla 5 muestra las propiedades de la estructura de material compuesto obtenida. La estructura en la estructura de material compuesto obtenida dio las mismas propiedades (densidad, contenido en volumen de cada uno elemento en estructura, módulo de flexión y rigidez flexional específica) que la estructura H.

(Ejemplo comparativo 2)

Como moldes se usaron los moldes usados en el Ejemplo 3. Se obtuvo una estructura de material compuesto del mismo modo que en el Ejemplo 1, excepto que se usaron un precursor de la estructura A y el laminado C como estructura laminada. La Tabla 5 muestra las propiedades de la estructura de material compuesto obtenida. La estructura en la estructura de material compuesto obtenida dio las mismas propiedades (densidad, contenido en volumen de cada uno elemento en estructura, módulo de flexión y rigidez flexional específica) que la estructura A. (Ejemplo comparativo 3)

Como moldes se usaron los moldes usados en el Ejemplo 1. Se obtuvo una estructura de material compuesto del mismo modo que en el Ejemplo 1, excepto que se usaron un precursor de la estructura F y el laminado F como estructura laminada. La Tabla 5 muestra las propiedades de la estructura de material compuesto obtenida. La estructura en la estructura de material compuesto obtenida dio las mismas propiedades (densidad, contenido en volumen de cada uno elemento en estructura, módulo de flexión y rigidez flexional específica) que la estructura F. (Ejemplo comparativo 4)

Como moldes se usaron los moldes usados en el Ejemplo 1. Se obtuvo una estructura de material compuesto del mismo modo que en el Ejemplo 1, excepto que se usaron un precursor de la estructura E y el laminado E como estructura laminada. La Tabla 5 muestra las propiedades de la estructura de material compuesto obtenida. La estructura en la estructura de material compuesto obtenida dio las mismas propiedades (densidad, contenido en volumen de cada uno elemento en estructura, módulo de flexión y rigidez flexional específica) que la estructura E.

[Estudio]

Los presentes ejemplos ejemplifican que resultó que todas las estructuras de material compuesto producidas tenían excelente moldeado de forma debido a que se usaron las estructuras de material compuesto que incluían la estructura que contenía las primeras fibras reforzadas y la primera resina y el laminado que se dispuso sobre al menos una superficie de la estructura y tenía una pluralidad de capas que contenían las segundas fibras reforzadas y la segunda resina y además debido a que las primeras fibras reforzadas contenidas en la estructura eran fibras discontinuas y tenían un ángulo de orientación promedio de la fibra en función del espesor en un intervalo de 5 a 60° y las segundas fibras reforzadas contenidas en el laminado eran fibras discontinuas y tenían un ángulo de orientación promedio de la fibra en función del espesor en un intervalo de 0 a 5°. Además, los Ejemplos 1, 2, 3 y 7 aclaran que cambiar el tipo de la primera resina en la estructura no afecta los efectos de la estructura. Además, también se aclara que todas las estructuras de material compuesto producidas resultan en que tienen excelente moldeado de forma. La estructura de material compuesto obtenida en cada uno de los ejemplos no fue solo excelente en ligereza debido a que la estructura usada tenía una densidad en un intervalo de 0,01 a 1 g/cm3, sino que también tuvo una pequeña variabilidad de las propiedades de producto debido a que el laminado tenía una variación en el contenido en volumen de las fibras reforzadas en un intervalo del 0 al 10 %. Además, se aclara que la estructura de material compuesto obtenida en cada uno de los ejemplos es capaz de incluir un componente funcional por que tiene al menos una porción que sobresale de la forma de la estructura de material compuesto, la estructura de material compuesto es excelente en propiedades mecánicas, particularmente módulo de flexión debido a que las segundas fibras reforzadas y la segunda resina que derivan del laminado llenan el nervio, la protuberancia o la pared vertical de la porción que sobresale, y la estructura de material compuesto es excelente en rigidez flexional específica debido al excelente módulo de flexión junto con la densidad de la estructura.

Por otra parte, el Ejemplo comparativo 1 dio una estructura de material compuesto que tenía una gran masa para el volumen de la estructura de material compuesto, debido a que la estructura de material compuesto se obtuvo sin la etapa 3 en el Ejemplo 1 que era incapaz de generar vacíos en la porción de estructura. Además, las estructuras de material compuesto de los Ejemplos comparativos 1 y 2 fueron incapaces de obtener los efectos de refuerzo por la porción que sobresale, debido a que el laminado contuvo fibras continuas sin cortes para reducir el contenido en volumen del laminado en la porción que sobresale. En el Ejemplo comparativo 3, el laminado tuvo cortes, pero tuvo las capas de los mismos laminadas solo en la dirección de [0°] para permitir que la presión del moldeo con prensa presionara las fibras continuas, que hace que las fibras continuas sean incapaces de formar una forma y así hacer que solo salga la resina. Esto aumentó la variación en función del espesor de las segundas fibras reforzadas en el laminado. En el Ejemplo comparativo 4, el laminado tuvo un alto contenido en volumen de la resina para generar cierto moldeo imperfecto, tal como un borrón sobre superficie de la estructura de material compuesto y aumentó la variación en el contenido en volumen de las segundas fibras reforzadas en el laminado. Se consideró que estos fenómenos eran debidos al moldeo imperfecto y no permitieron que se obtuvieran las propiedades deseadas.

T l 2

continuación

T l 1

T l 41

continuación

En la columna "Disposición en estructura de material compuesto" de la tabla, "L" representa un laminado y "S" representa una estructura. Los Ejemplos 3 y 7 (con laminado D) no son según la invención.

Aplicabilidad industrial

Según la presente invención, es posible proporcionar una estructura de material compuesto que tiene excelente moldeado y ligereza y también que tiene excelente rigidez flexional.

Descripción de símbolos de referencia

1, 1A, 1B: Estructura de material compuesto

2: Primera resina

3: Primera fibra reforzada

4: Vacío

5, 5B: Estructura

6-1, 6-2: Laminado (no se muestra fibra reforzada)

7: Nervio (porción que sobresale)

7A: Protuberancia (porción que sobresale)

7B: Porción que sobresale

8a, 8b, 8c, 8d: Flexión

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una estructura de material compuesto que comprende una estructura que contiene primeras fibras reforzadas y primera resina y un laminado que se dispone sobre al menos una superficie de la estructura y tiene una pluralidad de capas que contienen segundas fibras reforzadas y segunda resina, con la estructura y el laminado integrados, siendo las primeras fibras reforzadas fibras discontinuas y que tienen un ángulo de orientación promedio de la fibra en función del espesor, medido por el método de la descripción, en un intervalo de 5° a 60°,

siendo las segundas fibras reforzadas fibras discontinuas y que tienen un ángulo de orientación promedio de la fibra en función del espesor, medido por el método de la descripción, en un intervalo de 0° a 5°,

teniendo la estructura una densidad en un intervalo de 0,01 g/cm3a 1 g/cm3,

teniendo el laminado una variación en el contenido en volumen de las segundas fibras reforzadas, medido por el método de la descripción, en un intervalo del 0 % al 10 %,

teniendo cada capa en el laminado un corte, siendo un valor absoluto de un ángulo 0 entre el corte y las segundas fibras reforzadas 2° a 25°,

teniendo cada capa en el laminado sustancialmente todas las segundas fibras reforzadas de la misma divididas por un corte, de forma que las segundas fibras reforzadas no divididas por el corte tienen un proporción del área inferior al 5 % en el área representada por la capa,

y

2. La estructura de material compuesto según la reivindicación 1, que tiene una relación (As)/(Ap), medida por el método de la descripción, en un intervalo superior a 1 y 2,5 o menos entre un área proyectada (Ap) de una superficie, denominado un plano de proyección, que tiene la porción que sobresale y un área de estudio real del plano de proyección (As).

3. La estructura de material compuesto según las reivindicaciones 1 o 2, en donde la porción que sobresale es un nervio y/o una protuberancia.

4. La estructura de material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde la porción que sobresale contiene el laminado en una proporción del 80 % en vol. o más y del 100 % en vol. o menos, como se mide por el método de la descripción.

5. La estructura de material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde una relación Ls/Lc, medida por el método de la descripción, está en un intervalo de 1 a 50, con una longitud de fibra promedio másica de las segundas fibras reforzadas definida como Ls y una longitud de fibra promedio másica de las primeras fibras reforzadas definida como Lc.

6. La estructura de material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde las segundas fibras reforzadas divididas por el corte tienen una longitud de fibra promedio másica Ls en un intervalo de 10 mm a 100 mm.

7. La estructura de material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 , en donde el laminado tiene un ángulo en un intervalo de 4° o más y 90° o menos entre una dirección de orientación de las segundas fibras reforzadas en una capa y una dirección de orientación de las segundas fibras reforzadas en otra capa adyacente a la otra capa.

8. La estructura de material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde cada capa en el laminado tiene un contenido en volumen de fibra de las segundas fibras reforzadas Vf en un intervalo del 45 % al 65 %, como se mide por el método de la descripción.

9. La estructura de material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en donde cada capa en el laminado contiene fibras de carbono como las segundas fibras reforzadas y resina termoestable como la segunda resina.

10. La estructura de material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones 1a 9, en donde las primeras fibras reforzadas en la estructura tienen una longitud de fibra promedio másica Lc de 1 mm a 15 mm.

11. La estructura de material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en donde

la estructura contiene vacíos, y

la estructura tiene un contenido en volumen de las primeras fibras reforzadas en un intervalo del 0,5 % en vol. o más y del 55 % en vol. o menos, un contenido en volumen de la primera resina en un intervalo del 2,5 % en vol. o más y del 85 % en vol. o menos y un contenido en volumen de los vacíos en un intervalo del 10 % en vol. o más y del 97 % en vol. o menos, siendo medidos cada uno del contenido en volumen de las primeras fibras reforzadas, el contenido en volumen de la primera resina y el contenido en volumen de los vacíos por los métodos de la descripción.

12. La estructura de material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en donde la estructura tiene una rigidez flexional específica en un intervalo de 3 (GPa)1/3cm3 g-1, o más y 20 (GPa)1/3cm3 g-1, o menos, estando la rigidez flexional específica representada por EC1/3^ p-1 con un módulo de flexión definido como Ec y una densidad definida como p, y la estructura tiene un módulo de flexión Ec de 3 GPa o más, siendo medidos el módulo de flexión y la densidad por los métodos de la descripción.

13. La estructura de material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en donde la estructura contiene fibras de carbono como las primeras fibras reforzadas y termoplástico como la primera resina.

14. Un método de fabricación de una estructura de material compuesto según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, comprendiendo el método al menos las siguientes etapas 1, 2 y 3 en este orden:

etapa 1: laminar un precursor de laminado sobre al menos una superficie de un precursor de estructura para formar una estructura laminada, conteniendo el precursor de estructura termoplástico como la primera resina y las primeras fibras reforzadas y que sustancialmente no contiene vacíos, y conteniendo el precursor de laminado resina termoestable como la segunda resina y las segundas fibras reforzadas;

etapa 2 : disponer la estructura laminada en moldes que tienen una forma de flexión, una forma irregular o una forma de nervio en al menos una dirección de laminación de la estructura laminada y curar la resina termoestable mientras se conforma el precursor de laminado en la forma calentando y comprimiendo para formar un precursor de estructura de material compuesto; y

etapa 3: ajustar un espesor del precursor de estructura de material compuesto mientras se funde o reblandece el termoplástico, para expandir el precursor de estructura y así formar una estructura.